第7章吸收与蒸馏精选文档.ppt

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1、第7章吸收与蒸馏本讲稿第一页，共一百七十四页1 传质学基础传质学基础n n1.1 混合物组成的表示方法混合物组成的表示方法n n12 扩散现象与分子扩散速率计算扩散现象与分子扩散速率计算 n n13 对流传质与相间传质对流传质与相间传质n n14 传质设备简介传质设备简介本讲稿第二页，共一百七十四页1.1 混合物组成的表示方法混合物组成的表示方法n n两组分（两组分（A+BA+B）混合物的组成换算：）混合物的组成换算：n n已知已知A A的质量分数的质量分数AA，换成摩尔分数，换成摩尔分数xAxA：n n已知已知A A的摩尔分数的摩尔分数xAxA，换成质量分数，换成质量分数AA：n n已知已知

2、A A的摩尔分数的摩尔分数xAxA，换成摩尔比，换成摩尔比XAXA：n n 式中：式中：MAMA、MBMB分别为组分分别为组分A A和和B B的相对分子质量。的相对分子质量。n n其它的见表其它的见表7-17-1，2 2。本讲稿第三页，共一百七十四页12 扩散现象与分子扩散速率计算扩散现象与分子扩散速率计算 n n分子扩散：在同一相内有浓度差异时，因分子的无规则分子扩散：在同一相内有浓度差异时，因分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。热运动而造成的物质传递现象。n n121 分子扩散与分子扩散与Fick定律定律n n扩散通量扩散通量扩散通量扩散通量J J：单位时间内通过单位面积传递：单位时间

3、内通过单位面积传递：单位时间内通过单位面积传递：单位时间内通过单位面积传递的物质的量，kmol/(m2.s)。n n费克定律：费克定律：当物质A在介质B中发生扩散时，任一点处的扩散通量与该位置上的浓度梯度成正比，即：本讲稿第四页，共一百七十四页n n式中：DAB-A组分在A和B的混合物中的扩散系数，m2/s。n n同样，对B组分有n n 式中：DBA-B组分在A和B的混合物中的扩散系数。n n当扩散发生在理想气体或理想溶液中时，有DAB=DBA=D，故以后用D表示双组分物系的扩散系数。本讲稿第五页，共一百七十四页122 稳定分子扩散速率稳定分子扩散速率n n传递速率NA：单位时间内通过单位面积

4、的A物质的量，kmol/(m2.s)。n n(1)等摩尔逆向扩散 n n如图所示，两容器内有浓度不同的A，B两种气体的混合物，其中PA1PA2，PB1PB2，P，T相同。本讲稿第六页，共一百七十四页本讲稿第七页，共一百七十四页n n由费克定律，得：n n 稳定条件下，NA=JA=常数，对上式积分，有 n n或 本讲稿第八页，共一百七十四页n n对于理想气体，有对于理想气体，有n n代入上式，可得:n n式中式中R R为通用气体常数，为通用气体常数，R=8.314J/(mol.K)R=8.314J/(mol.K)。n n注意：由于注意：由于NANA（JAJA）的单位用）的单位用kmol/(m2.

5、s)kmol/(m2.s)，为与之相，为与之相对应，气体的压强需用对应，气体的压强需用kPakPa。本讲稿第九页，共一百七十四页(2)单向扩散 n n 如图所示，在密闭容器中放上一定的碱液，上方为含CO2（A）的空气(B)，气体压强一定（盖子可上下自由滑动），则在汽液相界面上A组分会不断向液相中扩散、溶解。本讲稿第十页，共一百七十四页本讲稿第十一页，共一百七十四页n n传递的基本情况：传递的基本情况：n n由于由于A A组分不断通过气、液相界面进入液相，则在周围不断地留下组分不断通过气、液相界面进入液相，则在周围不断地留下相应的空缺，这样就有其它的相应的空缺，这样就有其它的A A，B B分子来

6、充填，从而形成分子来充填，从而形成“整体整体流动流动”。若以若以N N表示总体流动通量，则有：表示总体流动通量，则有：N=NA+NB 及及 (a)(a)本讲稿第十二页，共一百七十四页n n但但B B组分组分(空气空气)并不溶入碱液并不溶入碱液,即即n nNB=0 N=NA n n代入(a)式,得:n n或或 本讲稿第十三页，共一百七十四页n n积分上式可得：n n对于气体，有n n由于 CA1+CB1=CA2+CB2=C（常数）CB2-CB1=CA1-CA2本讲稿第十四页，共一百七十四页n n令令n n代入（b）式，可得：n n同理可得：n n式中P/PBm称为“漂流因子”，其值，其值11。本

7、讲稿第十五页，共一百七十四页123 扩散系数扩散系数n n扩散系数是物质的物性常数之一。n n一般，D=f（物质，T，P，浓度）n n对于气体中的扩散，浓度的影响可忽略；n n对于液体中的扩散，压强的影响可忽略。本讲稿第十六页，共一百七十四页n n扩散系数的来源：由实验测定；从有关手册查取；由物质本身的基础物性及状态参数计算。n n通常，气体的D比液体的D大得多。n n一些物质的散系数见表7-3，4。n n对气体扩散体系，DT1.5/P;n n对液体扩散体系，DT/。本讲稿第十七页，共一百七十四页n n例7-2有一个10cm高的烧杯内装满乙醇，问在101.3kPa及25的室温下全部蒸发完约需多

8、少天？若温度升高至35，问全部蒸发完约需多少天？假设烧杯口上方空气中乙醇蒸汽分压为零；25和35下乙醇的饱和蒸汽压分别为8.0kPa和13.3kPa。n n解：乙醇通过静止空气层的扩散为单向扩散，且为非稳定过程，但因扩散距离z的变化缓慢，故可作为拟稳态处理。基本方法：设在扩散的任意时刻，液面离杯口的距离（扩散距离）为z，取d时间间隔对物料作衡算，并结合扩散的规律解决之。本讲稿第十八页，共一百七十四页n n单向扩散，有：（1）n n式中：D=1.1910-5m2/s；n nT=273+25=298K；n nPB2=101.3-0=101.3kPa；n nPB1=101.3-8.0=93.3kPa

9、；n nz-扩散距离，m。本讲稿第十九页，共一百七十四页n n代入（1）中，得：n n在d时间内，液面高度降低dz，对乙醇作衡算：n n或 n n式中：=780kg/m3，MA=46kg/kmol（2）；代入上式，得：n n积分可得：本讲稿第二十页，共一百七十四页n n当温度升高至35时：PB1=101.3-13.3=88.0kPa;n nD=1.1910-5(308/298)1.5=1.2510-5m2/s;n n其余参数不变。本讲稿第二十一页，共一百七十四页积分可得：当温度升高至35时：PB1=101.3-13.3=88.0kPa;D=1.1910-5(308/298)1.5=1.2510

10、-5m2/s;其余参数不变。本讲稿第二十二页，共一百七十四页n n积分可得：本讲稿第二十三页，共一百七十四页13 对流传质与相间传质对流传质与相间传质n n131 对流传质对流传质 n n1）涡流扩散n n凭籍流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。n n仿照分子扩散，可写出：n n 式中，De-涡流扩散系数，它不是物质的物性，而是与流动状态等有关的一个系数。n n总扩散通量为：n n通常，DeD。本讲稿第二十四页，共一百七十四页n n2）对流传质 发生在运动着的流体与相界面之间的传质过程。本讲稿第二十五页，共一百七十四页n n如图所示，气体与液体逆流流动，气体中的某种组分（A）可溶于液体中，在

11、任一截面上，气体组分A的分压变化如图。通常，将A的分压有显著变化的区域称为“有效膜”，而传质阻力主要集中在此膜内。在湍流主体内，混合非常剧烈，传质阻力为零。本讲稿第二十六页，共一百七十四页n n对于A组分在气相中的单向扩散，有：n n令 n n则n n对液相，同理可得：n n一般，传质分系数kG、kL由实验测定。本讲稿第二十七页，共一百七十四页1.3.2 相间传质的双膜理论相间传质的双膜理论n n相间传质是指物质由一相转移到另一相的传质过程。n n“双膜理论”是目前在工程计算中广泛使用的一个传质模型，如图所示：本讲稿第二十八页，共一百七十四页n n双膜模型的要点是：n n在汽、液两相接触面附近

12、，分别存在着呈滞流流动的稳态气膜与液膜。在此滞流膜层内传质严格按分子扩散方式进行，膜的厚度随流体流动状态而变化；n n汽、液两相在相界面上呈平衡状态，即相界面上不存在传质阻力；n n膜层以外的汽、液相主体，由于流体的充分湍动，分压或浓度均匀化，无分压或浓度梯度。n n通常，双膜理论也称双阻力理论。本讲稿第二十九页，共一百七十四页14 传质设备简介传质设备简介n n工业上广泛使用的传质设备是塔式设备，分为填料塔和板式塔两大类，两类塔的简图见下图：本讲稿第三十页，共一百七十四页n n填料塔是连续接触式传质设备，板式塔是逐级接触式传质设备。n n工业上常用的一些填料如下图所示：本讲稿第三十一页，共一

13、百七十四页2 吸收与解吸吸收与解吸n n2 21 1 概述概述概述概述 n n吸收：使气体混合物与适当液体接触，利用混合物中各组分的溶解度吸收：使气体混合物与适当液体接触，利用混合物中各组分的溶解度不同而将其分离的操作。不同而将其分离的操作。n n吸收操作的传质方向：由气相吸收操作的传质方向：由气相液相。液相。n n分离的依据：混合气体中各组分溶解性不同。分离的依据：混合气体中各组分溶解性不同。n n解（脱）吸：吸收操作的逆过程。解（脱）吸：吸收操作的逆过程。n n几个名词：几个名词：n n吸收剂吸收剂(或溶剂或溶剂)L)L：吸收操作所用的液体；：吸收操作所用的液体；n n溶质（吸收质）溶质（

14、吸收质）A A：溶解在液体中的组分；：溶解在液体中的组分；n n惰性气体（载体）惰性气体（载体）V V：不溶于液体中的组分。：不溶于液体中的组分。本讲稿第三十二页，共一百七十四页22 汽液相平衡汽液相平衡n n2 22 21 1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度n n在恒定温度和压强下，使气体和液体相接触达平衡时气在恒定温度和压强下，使气体和液体相接触达平衡时气在恒定温度和压强下，使气体和液体相接触达平衡时气在恒定温度和压强下，使气体和液体相接触达平衡时气体在液体中的饱和浓度。体在液体中的饱和浓度。体在液体中的饱和浓度。体在液体中的饱和浓度。n

15、n平衡分压平衡分压P*：平衡时溶质在汽相中的分压。：平衡时溶质在汽相中的分压。n n溶解度与平衡分压溶解度与平衡分压p*之间的关系如图之间的关系如图7-7。n n一般，溶解度一般，溶解度一般，溶解度一般，溶解度C=fC=f（溶质，溶剂，（溶质，溶剂，（溶质，溶剂，（溶质，溶剂，T T，P*P*）n n T T，C C；P*P*，C C。n n加压和降温可以提高气体的溶解度，故加压和降温加压和降温可以提高气体的溶解度，故加压和降温有利于吸收操作；反之，升温和减压则有利于解吸有利于吸收操作；反之，升温和减压则有利于解吸过程。过程。本讲稿第三十三页，共一百七十四页222 亨利定律亨利定律n n当总压

16、不高当总压不高(一般约小于一般约小于500 kPa)500 kPa)时，在一定温度下，时，在一定温度下，稀溶液上方汽相中溶质的平衡分压稀溶液上方汽相中溶质的平衡分压n n与液相中溶质的摩尔分数成正比，即与液相中溶质的摩尔分数成正比，即PA*=Ex=Exn n式中：PA*-溶质A在汽相中的平衡分压，kPa；x-液相中溶质的摩尔分数；n nE-亨利系数，kPa。n n上式称为亨利定律。上式称为亨利定律。n nE=f（T），T，E。n n易溶气体的易溶气体的E E值小，难溶气体的值小，难溶气体的E E值大。常见气体的值大。常见气体的E E值见值见表表7-57-5。本讲稿第三十四页，共一百七十四页n

17、n亨利定律的其它几种表达形式：n n PA*=CA/Hn n式中：CA-液相中溶质的浓度，kmolm3；n nH-溶解度系数，kmol(m3kPa)。n nyA*mxAn n式中：yA*-溶质A在汽相中的平衡摩尔分率；n n yA*mxAn n式中：yA*-溶质A在汽相中的平衡摩尔分率；n nm-相平衡常数。本讲稿第三十五页，共一百七十四页以摩尔比表示（适用于稀溶液）：n nY YA A*=mX=mXAn n式中：XA A-溶液中溶质的比摩尔分率；溶液中溶质的比摩尔分率；n nY YA A*-溶质在汽相中的平衡比摩尔分率。n n亨利定律各系数之间的关系亨利定律各系数之间的关系n n P PA

18、A*=ExA=P yA*n nyA A*=（E/PE/P）x xA A=mxAn n m=E/P m=E/P n n 另外，对稀溶液，有：另外，对稀溶液，有：n nH E=H E=s s/M/Msn n式中：s-溶剂的密度，溶剂的密度，kg/mkg/m3 3；n n Ms s-溶剂的相对分子质量，kg/kmol。本讲稿第三十六页，共一百七十四页n n例7-3 总压为101.3 kPa、温度为20时，1000 kg水中溶解15 kg NH3，此时溶液上方汽相中NH3的平衡分压为2.266 kPa。试求溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。若总压增倍，维持溶液上方汽相摩尔分率不变，则问此时NH3

19、的溶解度及各系数的值。n n解：本题中，ANH3，SH2O。首先将汽、液相组成换算为y与x。MA=17，MS=18本讲稿第三十七页，共一百七十四页n n 由亨利定律得：n n E=PA*/xA=2.266/0.01563=145.0kPa n n m=E/P=145/101.3=1.431n n 若 总 压 增 倍，维 持 溶 液 上 方 汽 相 摩 尔 分 率 不 变，则E不变，H也不变。CA=HPA*=0.383122.266=1.736kmol/m3本讲稿第三十八页，共一百七十四页n n仍取溶液的密度为1000kg/m3,则1m3溶液质量为1000kg。A=1.73617=29.51kg

20、 NH3的溶解度为:本讲稿第三十九页，共一百七十四页2.3 总传质速率方程总传质速率方程n n以下讨论在“双膜理论”基础上的总传质速率。n n前已推得:n n气膜内传质速率 NA=kG(PA-PAi)n n液膜内传质速率NA=kL(CAi-CA)n n注:以后为方便起见,压强或浓度的下脚标A将略去;总压或总浓度将添加下脚标T。本讲稿第四十页，共一百七十四页n n略去下标A后，有：n nN NA=k=kG G(P-Pi)（1 1）n nNA=kL L(C(Ci-C)（2）n n将将 P=P P=PT Ty，C=CTx 代入可得：n nNA=kG(P-P(P-Pi)=kG GP PT（y-yi）n

21、 n或或 N NA A=ky y（y-yi）（3 3）n nNA A=kL L(Ci-C)=k-C)=kLC CT（x xi i-x）n n或 NA A=kx x（x xi-x-x）（4 4）n n式式中中：y y，x-x-溶溶质质的的汽汽相相与与液液相相主主体体浓浓度度，以以摩摩尔尔分分率率表表示；示；n nyi，xi-界面上汽、液相的溶质浓度，以摩尔分率表示。本讲稿第四十一页，共一百七十四页n n显然，显然，k ky=P=PTk kG k kx x=C=CT Tk kL Ln n对稳定吸收体系，各步传质速率相等，即：n n NA=k=ky（y-yi）=kx x（x xi i-x-x）n n

22、将亨利定律 y=mx 代入，得：n n NA=k=ky ymm（x x*-xi）=k=kx（xi i-x）（5）n n及及N NA=ky y（y-yi）=（kx/m）（yi i-y*）（6）n n由（5）式得：n n （7 7）n n显然，显然，（8 8）n n n n同理可得：（9）n n n n （10）本讲稿第四十二页，共一百七十四页n n对于易溶气体，对于易溶气体，k kx xkky，故，故K Ky=ky y，即易溶气体为气膜（阻力）所控制；n n对对于于难难溶溶气气体体，k kx xky y，故故K Kx=k=kx，即难溶气体为液膜（阻力）所控制。n n总传质速率方程的其它几种表示方

23、式：总传质速率方程的其它几种表示方式：n nNA A=KG G(P-P*)n nNA=K=KL(C*-C)n nN NA A=KY Y(Y-Y*)n nNA=KX(X(X*-X)-X)几个总传质系数的关系：几个总传质系数的关系：n nKx x=K=KX X=mKy=CT TKLn nK KG G=HKL Ln nKy=K=KY Y=P=PTKG G本讲稿第四十三页，共一百七十四页n n例7-5 含氨极少的空气于101.33 kPa，20被 水 吸 收。已 知 气 膜 传 质 系 数kG=3.1510-6 kmol/(m2skPa)，液膜传质系数kL=1.8110-4（m/s），溶解度系数H=1

24、.5 kmol(m3kPa)。汽液平衡关系服从亨利定律。n n求：汽相总传质系数KG，KY；液相总传质系数KL，KX；n n气膜与液膜阻力的相对大小；n n若汽相主体氨浓度的摩尔分率为0.03，液相主体浓度为0.5 kmol/m3，求界面浓度。本讲稿第四十四页，共一百七十四页n n解：(1)因为物系的汽液平衡关系服从亨利定律，故 KY=PTKG=101.333.1110-6=3.1510-4 kmol/(m2.s)KL=KG/H=3.1110-6/1.5=2.0710-6 m/s KX=CTKL=(1000/18)2.0710-6 =1.1510-4 kmol/(m2.s)本讲稿第四十五页，共

25、一百七十四页n n(2)气膜阻力占总阻力的%计算结果表明计算结果表明,该吸收过程属气膜控制。该吸收过程属气膜控制。n n(3)对稳定吸收过程，由传质速率方程得：NA=kG G(P-Pi)=kL L(Ci-C)-C)P=PT Ty=101.30.03=3.04 kPay=101.30.03=3.04 kPa 3.13103.1310-6(3.04-Pi)=1.8110-4(Ci-0.5)(a)在界面处汽液相接触处于平衡状态，则在界面处汽液相接触处于平衡状态，则 C Ci i=HPi=1.5Pi (b)(b)(a),(b)联立,解得:P Pi=0.364 kPa,C=0.364 kPa,Ci i=

26、0.547 kmol/m3 3。本讲稿第四十六页，共一百七十四页3 吸收塔的计算吸收塔的计算n n吸收过程既可采用板式塔又可采用填料塔,以下仅讨论低浓度连续逆流填料塔的计算。n n低浓度是指进塔混合气体中的溶质浓度10%。n n设计计算任务为：n n确定合适的吸收剂用量L(kmol纯溶剂/s)，或液气比L/V；n n计算塔高；n n计算塔径。计算塔径。本讲稿第四十七页，共一百七十四页3.1 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程本讲稿第四十八页，共一百七十四页n n下列符号的意义:n nV-通过吸收塔的载体流量,kmol/s；n nL-通过吸收塔的溶剂流量，kmol/s；n nY-汽相中溶质

27、的摩尔比，kmol溶质kmol载体)；n nX-液相中溶质的摩尔比，kmol溶质kmol溶剂。本讲稿第四十九页，共一百七十四页n n在图所示的塔内任取m-n截面与塔底(图示的虚线范围)作溶质的物料衡算,得:LX+VY1=LX1+VY 或 上式称为吸收操作线方程式。为一直线方程，其斜率为L/V，截距为(Y1-LX1/V)。本讲稿第五十页，共一百七十四页n n对全塔作溶质的衡算,有:n n L(X1-X2)=V(Y1-Y2)n n或 在X-Y坐标图上，操作线方程通过点A(X2,Y2)和点B(X1，Y1),线段AB称为操作线。操作线上任意一点代表塔内某一截面上汽、液组成的大小。本讲稿第五十一页，共一

28、百七十四页n n操作线(方程)的意义:表示塔的任意截面上汽液两相浓度之间的关系。本讲稿第五十二页，共一百七十四页3.2 吸收剂的用量与最小液气比吸收剂的用量与最小液气比 n n溶质的回收率(吸收率)：n n被吸收的溶质量与进塔气体中的溶质量之比，即：本讲稿第五十三页，共一百七十四页n n当已知时，Y2=Y1(1-)。n n设计计算时，Y2(或)、X2、Y1已知，即A点已确定，X1的值由操作线的斜率决定。当操作线的上端点交到平衡线时(对正常的平衡线的情况)，线斜率(L/V)最小，称为最小液气比(L/V)min，此时的X1最大。本讲稿第五十四页，共一百七十四页本讲稿第五十五页，共一百七十四页n n

29、 最小液气比由全塔物料衡算求得:n n Lmin(X1,max-X2)=V(Y1-Y2)若平衡关系满足亨利定律时:适宜的液气比:L/V=(1.12.0)(L/V)min 本讲稿第五十六页，共一百七十四页n n例7-6用清水吸收某有机物A，吸收塔的操作压强为101.3 kPa，温度为293 K，进吸收塔的气体流量为900 m3/h，其中A含量为0.026(摩尔分数)，要求吸收率为90，在操作条件下，A在两相间的平衡关系为Y*=1.2 X，若取水的用量为理论最小用量的1.5倍，求每小时送入吸收塔顶的水量及塔底流出的吸收液组成。本讲稿第五十七页，共一百七十四页解：进入吸收塔的惰性气体摩尔流量V：进塔

30、气中A的组成Y1：Y1=0.026/(1-0.026)=0.026 7进塔溶剂中A组成X2：X2=0平衡线符合亨利定律(L/V)min=m=1.20.9=1.08 本讲稿第五十八页，共一百七十四页n n由(L/V)=1.5(L/V)min，得：n nL=1.5(L/V)minV=1.51.0836.46n n=59.07 kmol/hn n吸收液出塔组成：n n由 L(X1-X2)=V(Y1-Y2)得：本讲稿第五十九页，共一百七十四页3.3 塔径的确定塔径的确定n n塔的直径用下式确定：n n式中：DT-塔的直径，m；n nVs-通过塔的气体体积流量，m3/s；n nu-空塔气速，m/s。本讲

31、稿第六十页，共一百七十四页3.4 填料层高度的计算填料层高度的计算 n n3.4.1 填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式n n如图所示，在填料层中任意截面m-n处取一微元高度dz，在dz高度的填料层内：本讲稿第六十一页，共一百七十四页n n物料衡算关系：n ndGA A=VdY=LdXn n 传质速率关系：传质速率关系：n ndGA=N=NAdS=KdS=KY（Y-Y*）adzadzn n=KX X（X*-X-X）adzadzn n式中：式中：-塔的横截面积，塔的横截面积，mm2 2；n na-每m3 3填料的有效汽液传质面积，m2/m3。n n由上两式可得：n n VdY=KY（Y

32、-YY-Y*）adzadzn n和和 LdX=K LdX=KX（X X*-X-X）adzadz本讲稿第六十二页，共一百七十四页n n对低浓度气体吸收，KY，KX为常数。积分上两式，得填料层高度基本计算公式：n n 本讲稿第六十三页，共一百七十四页 n n定义定义 ：称为气相传质单元高度，称为气相传质单元高度，mm；称为液相传质单元高度，称为液相传质单元高度，mm；称为气相传质单元数；称为气相传质单元数；称为液相传质单元数。称为液相传质单元数。由上定义，可得：由上定义，可得：z=Hz=HOGOGN NOGOG=H=HOLOLN NOLOL 本讲稿第六十四页，共一百七十四页342 传质单元数的计算

33、方法传质单元数的计算方法 n n1）平均推动力法 适用条件：平衡关系为直线（Y*=mX+b）。本讲稿第六十五页，共一百七十四页n n式中：n n称为气相平均推动力，而 Y*=mX+b；本讲稿第六十六页，共一百七十四页n n称为液相平均推力，而称为液相平均推力，而 X X*=（Y-bY-b）/m /m 。n n注意在以上公式中，凡带上脚标“*”的参量的参量为为平衡平衡值值，不不带带的的为实际值为实际值。n n当 1/21/22 时，可取n n m=m=（1+21+2）/2 /2 。本讲稿第六十七页，共一百七十四页n n2）吸收因数法n n适用条件：平衡关系为通过原点的直线，即符合亨利定律（Y*=

34、mX）。n n方法：n n将平衡关系Y*=mX与操作线方程n nY=（L/V）(X-X2)+Y2代入NOG的定义式积分可得。本讲稿第六十八页，共一百七十四页n n式中：称为吸收因数；n n 称为解吸因数。本讲稿第六十九页，共一百七十四页n n3）数值积分法n n这种方法适应于平衡关系的各种情况（直线或曲线）。本讲稿第七十页，共一百七十四页n n例例7-77-7 空气和氨的混合气体，在直径为空气和氨的混合气体，在直径为n n0.8m的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空气量为1390 kg/h，混合气体中氨的分压为1.33 kPa，经过吸收后混合气中有99.5的氨被吸收下来。操作温度为2

35、0，压强为101.325 kPa。在操作条件下，平衡关系为Y*0.75X。若吸收剂(水)用量为52 kmol/h。已知氨的汽相体积吸收总系数KYa314 kmol(m3 h)h)。求所需填料层高度。求所需填料层高度。本讲稿第七十一页，共一百七十四页n n解：(1)用对数平均推动力求填料层高度n n依题意 y1=1.33/101.325=0.013 2Y2=0.0134(1-0.995)=6.710-5 X2=0 V=1390/29=47.93 kmol/h本讲稿第七十二页，共一百七十四页 Y1*=mX1=0.750.0123=9.22510-3 Y2*=mX2=0.750=0 Y1=Y1-Y1

36、*=0.013 4-0.009 225 =0.004 175Y2=Y2-Y2*=6.710-5-0=6.710-5本讲稿第七十三页，共一百七十四页n n z=HOGNOG=0.303713.41=4.07m本讲稿第七十四页，共一百七十四页n n(2)用吸收因数法求填料层高度n n z=HOGNOG=0.303713.40=4.07m本讲稿第七十五页，共一百七十四页3.5 吸收塔的操作型计算吸收塔的操作型计算n n解决操作型问题的关键是记住以下几点：解决操作型问题的关键是记住以下几点：n n塔径塔径D D和填料层高度和填料层高度z z不变，而不变，而z=Hz=HOGOGN NOGOG围绕围绕 讨

37、论：讨论：（1/A1/A），N NOGOG；（；（1/A1/A），N NOGOG。压强和温度变化影响压强和温度变化影响mm值，值，L L或或V V变化影响液气比变化影响液气比 （L/VL/V）。）。对对于于易易溶溶气气体体，为为气气膜膜控控制制，L L变变化化对对KYaKYa无无影影响响，但但对对（L/VL/V）有有影影响响；对对于于难难溶溶气体，为液膜控制，气体，为液膜控制，V V变化对变化对KXaKXa无影响，但对（无影响，但对（L/VL/V）有影响。）有影响。本讲稿第七十六页，共一百七十四页n n例7-8 某吸收塔在101.3 kPa，293 K下用清水逆流吸收空气混合物中的A，操作液气

38、比为2.1时，A的回收率为95。已知物系的浓度较低，A在两相间的平衡关系为Y*=1.18X。吸收过程为气膜控制，总传质系数KYa与气体流率的0.8次方成正比。n n(1)今气体流率增加20%，而液体流率及汽、液进口组成不变，试求：n nA A的回收率有何变化的回收率有何变化?n n单位时间内被吸收的单位时间内被吸收的A A量增加多少量增加多少?n n(2)(2)若气体流率，汽、液进口组成，吸收塔的操作温度若气体流率，汽、液进口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将和压强皆不变，欲将A A回收率由原来的回收率由原来的95%95%提高至提高至98%98%，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍，吸收剂

39、用量应增加到原用量的多少倍?本讲稿第七十七页，共一百七十四页n n解：原操作条件下的传质单元数NOG：（a）n n其中 1/A=mV/L=1.18/2.1=0.562,X2=0，n n代入（a）得：本讲稿第七十八页，共一百七十四页(1)气体流量增加20时的操作效果 V，=1.2V KYa=CV0.8本讲稿第七十九页，共一百七十四页n n代入（a）得：n n解得：本讲稿第八十页，共一百七十四页(2)当吸收率由95提高至98，由于气体流 率没变，因此对于气膜控制的吸收过程 HOG不变，塔高不变，塔高z z不变，故不变，故N NOGOG仍为5.10，即n n用试差法求解上式得:n n由由 得：得：n

40、 n即吸收剂用量应提高到原来用量的即吸收剂用量应提高到原来用量的1.871.87倍。倍。本讲稿第八十一页，共一百七十四页4 蒸馏蒸馏n n蒸馏是分离均相液体混合物的一种有效方n n法。n n分离的依据：混合液中各组分挥发性不同。n n本章重点讨论双组分的蒸（精）馏。本讲稿第八十二页，共一百七十四页41 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡n n411 相律和拉乌尔定律相律和拉乌尔定律n n(1)(1)相律相律 n n对于汽、液相平衡体系，相律的表达式如下：n n自由度数自由度数F=F=独立组分数独立组分数C-C-相数相数P+2P+2n n对两组分的汽液平衡，C=2，P=2，故n nF=

41、2。但可变化的参数有4个：温度t、压强P、液相组成x和汽相组成y。因此在t，P，x，y 这4个变量中，任意规定其中两个变量，则此平衡体系的状态就可唯一的确定。本讲稿第八十三页，共一百七十四页n n(2)(2)拉乌尔定律拉乌尔定律n n在一定温度下，汽相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以它在溶液中的摩尔分数，即：P PA=PA A0 0 xA A PB=P=PB0 0 xB B=P=PB B0 0（1-1-x xA A）n n式中：PA，PB-分别为蒸汽中组分A和B的平衡分压，kPa；n nPA0PA0，PB0-PB0-分别为纯组分分别为纯组分A A和和B B的饱和蒸汽压，的

42、饱和蒸汽压，kPakPa；n nxA，xB-分别为溶液中组分A和B的摩尔分数。n n注意：以后将不再带有下脚标，但所有参数均表示易挥发注意：以后将不再带有下脚标，但所有参数均表示易挥发组分。组分。本讲稿第八十四页，共一百七十四页n nxA，xB-分别为溶液中组分A和B的摩尔分数。n n注意：以后将不再带有下脚标，但所有参数均表示易挥发组分。本讲稿第八十五页，共一百七十四页412 两组分理想溶液的汽液平衡两组分理想溶液的汽液平衡n n汽液相平衡是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时，汽液两相间各组分组成的关系。n n蒸馏操作通常是在恒定外压下进行的，因而常用的平衡关系是t-x-y图和x-y图。本讲稿第八

43、十六页，共一百七十四页 在汽液相平衡时，有：P=PA+PB=PA0 x+PB0（1-x）（1）上式称为泡点方程。本讲稿第八十七页，共一百七十四页n n当总压不太高时，汽相可视为理想气体，遵循道尔顿分压定律，则：n n （2）n n上式称为露点方程。本讲稿第八十八页，共一百七十四页n n可见，在P固定时，x，y由t唯一确定。n nt-x-y图见下：本讲稿第八十九页，共一百七十四页n n图中分为三个区域：从下向上是过冷区、两相区（汽液共存区）和过热区。n n图中ADFB线称为露点线（饱和蒸汽线），AECB线称为泡点线（饱和液体线）。n n结论：只有对混合物进行部分汽化（或部分冷凝），才能产生分离作

44、用。本讲稿第九十页，共一百七十四页n nt-x-y图的用途：主要用于分析蒸（精）原理。n nx-y图见下：n nx-y图可由t-x-y图转换而来，图中321线为汽液平衡线。n nx-y图的用途：主要用于求取理论板数。本讲稿第九十一页，共一百七十四页413 相对挥发度与汽液平衡方程相对挥发度与汽液平衡方程n n(1)相对挥发度 n n挥发度：混合溶液中组分的蒸汽压与其平衡的液相中的摩尔分数x之比。对于A组分，有vA=PA/xA n n对于理想溶液，有：n nvA=PA/xA=PA0 xA/xA=PA0 n n 本讲稿第九十二页，共一百七十四页n n 相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度（vA）与

45、难挥发组分的挥发度（vB）之比。n n 当操作压强不太大时，汽相服从道尔顿分压 定律，上式可写成n n 或 n n对理想溶液，则有：本讲稿第九十三页，共一百七十四页n n(2)汽液平衡方程n n对于双组分体系，xA+xB1，yA+yB1，n n略去下标，并代入之表达式得：n n即 n n或 n n 上两式称为汽液平衡方程。本讲稿第九十四页，共一百七十四页n n由的大小可以判断某混合物能否用蒸馏方法分离和分离的难易程度：n nl，则yAxA（表示组分A较B容易挥发），越大，分离越容易；n n=1，则yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离。n n在蒸（精）馏计算中，常取塔顶、进料处和塔底三处的几何

46、平均值。本讲稿第九十五页，共一百七十四页42蒸馏与精馏原理蒸馏与精馏原理n n421 平衡蒸馏平衡蒸馏n n平衡蒸馏装置如图所示。平衡蒸馏装置如图所示。n n原料液经加热器加热后通过节流阀进入闪蒸原料液经加热器加热后通过节流阀进入闪蒸罐（分离器），在分离器内发生闪蒸过程。罐（分离器），在分离器内发生闪蒸过程。平衡关系：平衡关系：yD与与xw互成平衡。互成平衡。本讲稿第九十六页，共一百七十四页本讲稿第九十七页，共一百七十四页n n闪蒸计算的基础是物料衡算、热量衡算和平衡关系。n n(1)物料衡算 n n总物料 F=D+Wn n对A组分 FxF=DyD+Wxwn n将两式联立，可得：称为液化率。n

47、 n 上式称为q线方程。本讲稿第九十八页，共一百七十四页n n(2)热量衡算 n n 加热器的热流量为：n n Q=FCP(T-t0)n n物料在分离器内闪蒸，有：n n FCP(T-tb)=（1-q）Frn n或 式中：CP-混合物料的平均摩尔比热容，kJ(kmol)；n nr-平均摩尔汽化热，kJ/kmol；n nt0、T、tb-分别为物料的初始、预热后（节流前）和节流后平衡温度（泡点），。本讲稿第九十九页，共一百七十四页n n(3)相平衡关系 n nyD与xw互成平衡，若为理想物系，有：本讲稿第一百页，共一百七十四页422 简单蒸馏简单蒸馏n n简单蒸馏的流程如下图所示：n n一般为间歇

48、式操作，为非稳态过程。n n平衡关系：任一瞬间形成的蒸汽与液相互成平衡；但形成的全部蒸汽（塔顶产品）不与剩余液体相平衡。n n故其又称为微分蒸馏。本讲稿第一百零一页，共一百七十四页本讲稿第一百零二页，共一百七十四页n n设F，W-为原料液及最终残液量，kmol；n ny y，x-x-分别为任一瞬时分别为任一瞬时 的汽、液相摩尔分率；的汽、液相摩尔分率；L-L-任一瞬任一瞬时釜内的液体量，时釜内的液体量，kmolkmol。n n在微元时间d内对釜内液相作物料衡算：n n 总物料 dD=-dLn n 易挥发组分易挥发组分 Lx=Lx=（L+dLL+dL）（）（x+dxx+dx）+ydD+ydDn

49、n上两式联立并略去高阶微量，整理可得：上两式联立并略去高阶微量，整理可得：n n 积分可得：积分可得：n n 或或 （*）本讲稿第一百零三页，共一百七十四页n n式中x与y互成平衡，只要知道平衡关系，积分上式可得结果。n n平衡关系满足汽液平衡方程（理想溶液），即n n代入（*）式积分，得：n n平衡关系为直线，即 y=mx+b，代入（*）式积分，得：n n对蒸馏的初态和终态作物料衡算，有n n两式联立可解得 。本讲稿第一百零四页，共一百七十四页n n例7-9在常压下将某原料液组成为0.55(易挥发组分的摩尔分率)的两组分溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏，若汽化率为l/3，试求两种情况下的釜液和

50、馏出液组成。假设在操作范围内体系的相对挥发度为2.0。本讲稿第一百零五页，共一百七十四页解：n n平衡蒸馏n nq=2/3，xF=0.55，=2.0n n代入q线方程n n 得：(1)n nyD与xw满足汽液平衡方程n n （2）n n(1)，(2)联解得：xW=0.494，yD=0.662本讲稿第一百零六页，共一百七十四页 n n2)2)简单蒸馏简单蒸馏n nq=W/F=2/3,xF F=0.55，=2.0n n代入n n中得：n n解得：解得：x xw=0.483n n计算表明：在馏出率相等的条件下，简单蒸馏所得到的馏出物的浓度高于平衡蒸馏。本讲稿第一百零七页，共一百七十四页423 精馏原